近日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線刊登了北京航空航天大學(xué)管娟副教授課題組的最新研究成果“野生柞蠶絲/碳纖維混雜構(gòu)建抗沖擊復(fù)合材料（Integratingtough Antheraea pernyi silk and strong carbon fibres for impact-criticalstructural composites）”，首次將野生柞蠶絲和碳纖維混雜作為強(qiáng)韌相，構(gòu)建了一系列高剛性、高強(qiáng)度的環(huán)氧樹脂基體復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了兩種高性能纖維的完美結(jié)合，并為天然蠶絲纖維的應(yīng)用開辟了全新的方向。
牛津大學(xué)動物絲專家Fritz Vollrath教授預(yù)測蠶絲纖維復(fù)合材料最可能的應(yīng)用領(lǐng)域為高緩沖吸能需求的結(jié)構(gòu)材料，如軍用頭盔和風(fēng)電葉片等。休斯頓大學(xué)的Youssef K. Hamidi課題組也開展了蠶絲纖維復(fù)合材料的研究，為蠶絲增強(qiáng)體研發(fā)出更匹配的樹脂體系。但是，蠶絲纖維復(fù)合材料相對于多數(shù)的高性能結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度和剛度仍有不足。
而與桑蠶絲（俗稱家蠶絲，也是市面上的主要蠶絲種類）相比，柞蠶絲的拉伸強(qiáng)度只比桑蠶絲略高（均高于普通環(huán)氧樹脂），但其拉伸斷裂能150 MJm-3遠(yuǎn)高于桑蠶絲~70 MJ m-3，因此十分強(qiáng)韌。
注：柞蠶是野蠶的一種，主要產(chǎn)區(qū)為遼、吉、黑、豫、魯、蒙等地，全世界90%以上的柞蠶絲產(chǎn)于中國。
這種強(qiáng)韌的性能，或許可以提升復(fù)合材料的韌性和吸能特性，雖然目前還沒有利用柞蠶絲來增強(qiáng)復(fù)合材料的先例，不過，或許這可以為航空和汽車領(lǐng)域中輕質(zhì)高韌性、抗沖擊材料的選擇提供新思路，于是，管娟課題組開始了柞蠶絲復(fù)合材料的相關(guān)研究。
2014年，管娟課題組對蠶絲纖維復(fù)合材料（SFRP）開展系統(tǒng)研究的結(jié)果表明，體積分?jǐn)?shù)高于50%的桑/柞蠶絲纖維復(fù)合材料的沖擊性能十分優(yōu)異，并且具有-50℃的低溫韌性；亞麻植物纖維能夠有效調(diào)控蠶絲復(fù)合材料的力學(xué)性能，提升蠶絲復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度。
隨后，管娟課題組的研究人員選用碳纖維和野生柞蠶絲纖維進(jìn)行混雜，碳纖維增剛、柞蠶絲增韌，成功構(gòu)建層內(nèi)/層間混雜復(fù)合材料，既保證了蠶絲纖維復(fù)合材料在彎曲和沖擊模式下的韌性，同時達(dá)到了工程結(jié)構(gòu)材料對強(qiáng)度和剛度的要求，研究者還深入研究了經(jīng)典混雜方式（如層間混雜和層內(nèi)交織）和混雜比對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。
注：CFRP為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；5C5S-1為層層交替的蠶絲/碳纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料；SFRP為柞蠶絲纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
為了使這種復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，研究人員對柞蠶絲/碳纖維混雜復(fù)合材料各項性能進(jìn)行了全面的評估：拉伸、彎曲、層間剪切、沖擊、動態(tài)力學(xué)熱分析、吸水老化行為、拉伸蠕變、彎曲蠕變等。豐富的實(shí)驗數(shù)據(jù)表明交替鋪層的柞蠶絲/碳纖維混雜復(fù)合材料在所有混雜材料里具有最好的纖維-基體界面，具有2倍于同體積分?jǐn)?shù)碳纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，并表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，充分顯示了天然纖維復(fù)合材料良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。
[編輯：田田]
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